（林产化学加工工程专业论文）草浆黑液蒸发传热机理的研究与高效蒸发装置的研制.pdf

恫簧 摘要 喷淋降膜蒸发技术，具有蒸发强度大，传热温差小，传热系数高等优点，被 广泛应用于海水淡化、海洋温差发电、制冷工程、化学工程等领域。由于不同蒸 发工质物理及物理化学性质差异很大，各国科技人员就进一步完善其机理和设计 特征参数等基础理论、以及基于该技术的新型蒸发器设计制造和应用等方面，正 在进行广泛深入地研究。 草类原料制浆黑液的主要物化性能研究表明，其具有灰分( 硅) 、多糖( 戊糖) 含量高，粘度大等特点。在蒸发浓缩过程中，传热效能低，且易于结垢，常规蒸 发器难以经济合理地运行。基于以上情况，本课题组开发设计出了新型卧式喷淋 降膜蒸发装置。并在此装置上进行了草浆黑液的浓缩新工艺和蒸发传热效能、机 理等研究，并进行了生产规模的应用试验。结果证实：本装置能够实现高效空间 蒸发，具有蒸发强度大，传热系数高，不易结垢、且除垢容易等优点。工业化生 产中对高粘度草浆黑液蒸发强度平均达到1 8 2 5k g m 2h ，比目前国内报道最高 值高出5 0 8 0 ，处于国际领先水平。 本文探讨了不同工质、不同喷淋量、不同热流密度、不同浓度等参数对沸腾 传热特性的影响。建立了液膜绕流圆管数学模型，采用层流和紊流两种模型对卧 式喷淋降膜蒸发器内水平管外对流传热进行了数值计算，对管顶部的冲击滞止区 和管侧部的自由绕流区分别采用不同的坐标变换方法进行微分，并对计算结果和 本文实验数据进行了比较，描述了卧式喷淋降膜蒸发装置浓缩草浆黑液的传热机 理。 并且文中对草浆黑液易起泡、易结垢、粘度大、蒸发浓缩困难的原因进行了 探讨，研制出适宜草浆黑液的除沫剂、除垢剂。研究确定了适宜的除垢周期。 关键词：草浆黑液、卧式喷淋降膜蒸发装置，传热，数学模型 h e a t - - t r a n s f e rm e c h a n i s mo fn o n - - w o o db l a c k l i q u o r e v a p o r a t i o na n dd e s i g n o f h i g h e f f i c i e n t e v a p o r a t i o n d e v i c e z h a n j n nw a n g ( c h e m i c a l p r o c e s s i n go f f o r e s t p r o d u c t s ) d i r e c t e d b yp r g u i g a nf a n g a b s t r a c t s i n c et h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sf o rt h es p r a y i n g f i l me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ， s u c ha sh i g h e re v a p o r a t i o ni n t e n s i t y , l o w e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c er e q u i r e db e t w e e n h e a tr e s o u r c ea n dw o r k i n gm a s s ，h i g h e rh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h i st e c h n o l o g yh a s b e e na p p l i e di nv a r i o u sf i e l d sa sd e s a l i n i z a t i o no f s e a - w a t e r , e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nb y t e m p e r a t u r e i n t e r v a lo f o c e a n ，c o o l i n ge n g i n e e r i n ga n dc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n d s oo n t h e p h y s i c a la n dp h y s i c c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w o r k i n g m a s sv a r i e ss i g n i f i c a n t l yi n d i f f e r e n tf i e l d s s c i e n t i s t sw o r l d 一、v i d eh a v eb e e nm a k i n gg r e a te f f o r t so nh e a t - t r a n s f e r m e c h a n i s m ，f u n d a m e n t a l t h e o r i e sa n d s p e c i f i c a t i o n d a t af o r d e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r i n go f h i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g y - s a v i n ge v a p o r a t i o nf a c i l i t i e s t h es t u d i e so nc h a r a c t e r i s t i c so fb l a c kl i q u o rf r o mn o n - w o o df i b e rc h e m i c a lp u l p i n g p r o c e s ss h o w t h a ts u c ht y p eo fb l a c kl i q u o rh a sh i g hc o n t e n to f a s h ( s i l i c a t e s ) ，p e n t o s e s a n dh i g hv i s c o s i t yw h i c hw i l li n f l u e n c eo nt h en o r m a le v a p o r a t i o no p e r a t i o n ，t h eh e a t t r a n s f e rc a p a c i t yo fn o nw o o d p u l p i n gb l a c kl i q u o ri sp o o ra n de a s yt of o r ms c a l e s a t p r e s e n t ，t h e r ea r en on o r m a le v a p o r a t i o ni n s t a l l a t i o n sc a nb eo p e r a t e de c o n o m i c a l l yi n m i l ls c a l e an e w t y p eo fe v a p o r a t o rw a sd e s i g n e da n di n s t a l l e db y u sb e t hi np i l o ts c a l e a n di n d u s t r i a l s c a l e b yu s i n go ft h e s en e wd e s i g n e de q u i p m e n t s ，h i g he f f i c i e n c y e v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，h e a tt r a n s f e re f f i c i e n c i e s ，m e c h a n i s mf o rc o n c e n t r a t i o no f n o n w o o db l a c kl i q u o rw e r ei n v e s t i g a t e d a n dt h em i l ls c a l et r i a l sw e r ec a r r i e do u tt o o i tw a s p r o v e dt h a t ，d u et op r e s e n t i n go f e f f e c t i v ee v a p o r a t i n gs p a c e ，t h en e w d e s i g n e d h o r i z o n t a l s p r a y i n g f i l me v a p o r a t o ra n dt e c h n o l o g yh a se x t r e m e l yh i g he v a p o r a t i n g c a p a c i t y , h i g hh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n tt oe a s yf o a m i n ga n ds c a l i n gw o r k i n gm a s sa s n o n w o o db l a c kl i q u o r t h ef o r m a t i o no fs e a l e so nt h ee v a p o r a t i o nt u b e - b u n d i e sw a s n o te a s y ，i fs o m es c a l e sf o r m e dw h i c hw a se a s i l yt ob er e m o v e d t h em e a no f e v a p o r a t i o ni n t e n s i t yf o rb l a c kl i q u o r ( f r o mw h e a ts t r a wp u l p i n gp r o c e s s ) c o u l dr e a c h u pt o 18 2 5 k g m 2 h ，w h i c hw a s5 0 m o r et h a nt h em a x i m u mv a l u eo fr e p o r t e d e v a p o r a t o r si nc h i n a t h i st e c h n o l o g yh a sb e e n r a n k e da st h ep i o n e e ri nt h ew o r l d e f f e c t so f e v a p o r a t i o na n dh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yo f t h i st y p eo f e v a p o r a t o rw e r e c o m p a r e dw i t hd i f f e r e n to p e r a t i o ns p e c i f i c a t i o n s ( s u c ha s l i q u i ds p r a y i n gr a t e ，h e a t f l u x ，o u t l e tv a p o rv e l o c i t y a n ds o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ) t h e h e a tt r a n s f o r 1 i p e r f o r m a n c eo f h o r i z o n t a lt u b es p r a y i n g - - f i l me v a p o r a t i o nw i t hw a t e r ，s t r a wp u l p i n g b l a c kl i q u o r so fb o t hs f p - a qp r o c e s sa n ds o d ap r o c e s sr e s p e c t i v e l ya s a c t u a t i n g m e d i u m l a m i n a rf l o wm a t h m o d e lw a se s t a b l i s h e d ，f o r c e dc o n v e c t i v es e n s i b l eh e a t t r a n s f e ro fs u b c o o l e df a l l i n gl i q u o ro nt h eh o r i z o n t a lh e a t e dt u b ei ss t u d i e db u s i n g n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f f l o wc o n d i t i o n sa n d t u b ed i a m e t e nt h en u m e r i c a la n a l y s i ss h o w st h a tn u s s e l tn u m b e ri sg o v e r n e db yt h e t h r e ev a i l a b l e s ：f i l mr e y n o l d sn u m b e r , p r a n t a ln u m b e ra n da r c h i m e d e sn u m b e r t h e c a l c u l a t i o na d o p t sal a m i n a rf l o wm a t h m o d e la n dd i v i d e st h ef i l mf l o wz o n ei n t ot w o c a l c u l a t i n gz o n e s ，o n ei st h ef l o ws t a g n a t i o nz o n ei nw h i c h t h eg o e r t l e rc h a n g em e t h o d i su s e d t h eo t h e ri st h ef r e ef i l mf l o wz o n ei nw h i c ht h ef r e ef l o wb o u n d a r yc o n d i t i o n s a r ec h a n g e dt ot h em i x e db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，b yt h en u m e r i c a la n a l y t i c a lr e s u l t s a s i m p l et h e o r e t i c a le q u a t i o n i sp r o p o s e da n di ta g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a b e s i d e s ，s e l e c t i o no fd e f o a m i n g a g e n t ，d e s c a l i n g - a g e n ta n dp e r i o do fd e s c a l i n g a l e e x p l o r e di nt h ep r o c e s so fc o n c e n t r a t i n gs t r a wp u l p i n gb l a c kl i q u o r i t w o u l dh e l pt o p r e v e n t t h e e v a p o r a t e dl i q u o r f r o m s c a l i n g o nt h es u r f a c eo fh e a t t r a n s f e r r i n g t u b e - b u n d l e s t h eo p e r a t i n gt i m eo ft h es y s t e mc a l ll a s tl o n g e ra n dt h ee v a p o r a t i n g i n t e n s i t yo re m c i e n e y a sw e l la sh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n tw o u l db ee n h a n c e d ，p r o v i d i n g e x t r e m e l yh i 曲i n t e n s i v ee v a p o r a t i o n f o rf o a m i n ga n d e a s y s c a l i n gl i q u o r s w i t h s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sh i g h e rv i s c o s i t ya n dc r y s t a l l i z i n g k e y w o r d s ：s t r a wp u l p i n gb l a c kl i q u o rrh o r i z o n t a lt y p ee v a p o r a t o rw i t hs p r a y i n g a n df i l me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，h e a tt r a n s f e r , m a t h - m o d e l i i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 蒸发是重要的化工单元操作之一，蒸发过程需要消耗大量的能量，随着工业 生产规模的日益扩大，用蒸发方法所需的热能也将不断增加，而热能价格却逐渐 上涨，因此，世界各国对蒸发节能都很重视，纷纷通过改进蒸发器的结构，创制 新型的高效蒸发器。由此可见，研究蒸发的用能过程、探讨节能的最佳方案，提 高热能利用率，已成为当今世界上一个非常重要的研究课题。 与此同时，世界造纸工业面临的一个重要问题就是环境污染。由于我国森林 资源较少，所以在相当长的时间内我国造纸生产的原料要以非木材纤维为主“1 。小 麦是中国的主要粮食作物之一，以麦草为造纸原料有着悠久的历史，数以千计的 草浆厂遍布全国，这是我国造纸工业的一大特点。但是，麦草浆生产废水的治理 显得最为困难，突出的症结表现为蒸发装置无法向碱回收碱炉稳定提供足够的浓 黑液，因而蒸发工段成为碱回收的瓶颈。这是由于草浆黑液的组成和物化性能与 木浆黑液存在明显差异。主要表现在s i 吼含量为木浆的1 0 多倍，粘度同样高出1 0 多倍，固形物中木素的含量较低和发热量低等。这些特性对工业生产带来非常大 的困难。如由于粘度大，硅、细小纤维、杂细胞和聚糖类物质含量高，蒸发时易 结垢造成蒸发性能极差，由于含有大量的脂肪酸皂，蒸发时易形成大量泡沫从而 影响蒸发效率和蒸发操作，难以浓缩到高的含固量等。因而改善草浆黑液蒸发浓 缩的运行效果，对于保护环境和促进我国非木材纤维制浆的健康发展，都具有重 要的意义o 。 当前国内公认碱法麦草浆厂上碱回收是治污达标的首选措旌“。从广义来说， 碱回收包括提取、蒸发浓缩、燃烧( 回收热能) 、苛化( 回收碱液) 四个工序。 我国部分纸浆厂在蒸煮过程中将木素变为木素磺酸盐，将含有木素磺酸盐的 黑液通过蒸发变为浓液后，采用喷雾干燥工序制取具有一定经济价值的木素磺酸 盐干粉“7 。“。这种处理，同样不对外排放污染物，实现零排放。此路线的工序包 括提取、蒸发和干燥。蒸发亦属关键工序之一。 2 0 0 1 年我国纸和纸板产量为3 2 0 0 万吨，居世界第二位，仅列美国之后。同 年我国纸张消费量达3 6 8 3 万吨，其中进口纸浆、废纸、纸和纸板及纸制品耗用外 汇6 0 多亿美元，预测到2 0 1 0 年纸张消费将达l 亿吨年，其进口纸浆耗用外汇额 惊人“。客观上要求我国必须发展利用耿之不尽的再生资源为原料的草浆造纸工 业。而草浆造纸工业越发展，污染越严重，又危及国计民生。 国家为了保护环境和自然资源、防治污染和其他公害，先后颁布了环境保 护法，水污染防治法，关于加强环境保护若干问题的决定及关于防治造 纸行业水污染的规定等法律、法规及规章。并于1 9 9 7 年年底、1 9 9 8 年年底和 1 9 9 9 年6 月分别对淮河流域、太湖地区和长江流域不达标排放的造纸厂实行了关 闭。其结果，1 9 9 6 年年底全国就关闭4 0 0 0 余家年产量5 0 0 0 吨以下的造纸厂，目 前尚存的1 1 0 0 余家万吨以上产量的草浆企业也面临关闭的命运。这些企业的关闭 将给个人乃至社会带来另一范畴的问题。以江苏省为铡，全省年产万吨以上孽浆 纸厂2 0 家，其中苏北1 8 家，苏南2 家，年产值7 亿多元，有1 5 万多职工。若 全部关闳，除地区经跻受到影响外，还涉及到6 万人的生括，给社会安定将会带 来严重的影响。若推论到全国千余家万吨厂，产值3 0 0 亿，2 5 0 万人生活，这绝非 小事。 为此，新建草浆厂要求解决污染，已建的草浆厂也要解决污染。这就为治污 技术和装备提供了广阔的产业化前景。目前我国尚未达标排放废液的草浆企业， 万吨以上的有一千余家这就提供了极为广阔的国内市场1 。 在国外，为了提高蒸发过程的传热性能和降低蒸发的能耗，美国在海水淡化“ “”1 、制冷工程“”和化学工程“6 1 等方面已经使用了水平管式喷游降膜蒸发器，其与 常用的立式列臀薄膜蒸发器相比具有如下突出的优点：在低喷淋密度和低传热温 差下具有很商的传热速率。1 9 6 2 1 9 8 8 年间，美国a q u a c h e m 公司开发和研制了 用于木浆废液浓缩的“水平管式喷淋降膜蒸发器”“1 ，其性能远优于目前我国 造纸工业用的包括板式蒸发器在内各类蒸发器。但在草浆废液蒸发方面未见报道。 开展卧式喷淋降膜蒸发系统浓缩草浆黑液传热机理的研究，进一步提高蒸发 设备及蒸发系统浓缩草浆黑液的效率，减少能量在传递过程中的不可逆损失，更 合理地和更有效地利用能量，使蒸发设备在较低的温差下具有较赢的总传热系数， 利用较少的传热面积完成较大的传热量，并具有较好的抗污垢能力。草浆黑液的 蒸发浓缩又不同于其它溶液，由于其独特的性质，其蒸发浓缩过程更为复杂，文 献对草浆黑液蒸发浓缩研究报道几乎为零“，特别在当前情况下，新建草浆厂要 解决污染，已建的草浆厂也要解决污染。而国内外对草浆黑液蒸发浓缩至今尚无 2 弟一早蚤卣化 一套成熟的技术设备。因此，研究卧式喷淋降膜蒸发系统浓缩草浆黑液的传热机 理是本文的主要内容。 1 2 传热的研究、草浆黑液蒸发器研发及应用现状 1 2 1 关于传热研究的新进展 七十年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节省能 耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设 备”。目前世界上每年发表的有关传热及换热及换热设备方面的文献约在六千篇 以上。”，有关传热及换热设备的研究与开发成为人们关注的重点课题，研究的重 点是传热机理、传热强化、两相流、振动、结垢与除垢以及与能源利用和环境保 护有关的新型高效换热设备。 研究传热的目的是为了进一步提高换热设备的换热效率，即提高其传热性能。 其主要方法归结为下述两个原理：使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体。 前者采用各种间断翅片结构，后者则采用泡核沸腾传热。”。人们想尽各种办法实 施高效传热，归结起来不外乎两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传 热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。3 。2 “2 ”。 改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变高效传热的有：横槽管、螺 旋槽管( s 管) 和缩放管。新近又开发出偏置折边翅片管( 一种间断翅片管) 和螺 旋扁管，后者也叫麻花管( t w i s t e dt u b e ) ，这原是瑞士的al l a r e s 公司技术， 后经布朗公司改进，是一种高效换热元件“。用于有相变强化传热的强化沸腾传 热管有：烧结多孑l 表面管、机械加工的多孔表面管( 如日本的t h e m o e x c e l e 管) 、 电腐蚀加工的多孔表面管”1 、t 型翅片管。 流路湍流增进器是在传热面附近设置一个小物体( 不一定与传热面相连) ，它 可以是各种形状和型式，最常见的是在传热面上等距离设置突起物，通过搅乱流 动来达到高效传热的目的o “。管内插入物有( 如图1 1 ) ：纽带( t u r b u l a t o r s ) 、 螺旋片、螺旋线圈( s p i r e t ee l e m e n t s ) 和静态混合器( k e n i c sm i x e r s ) 。它们 适合于强化管内单相流体传热，尤其对强化气体、低雷诺数或高粘度流体传热更 为有效。，最近，国外又开发出一种金属丝制翅片管子插入物( w i r e - f i nt u b e i n s e r t s ) ，能增强湍流，改善传热性能，它是英国c a lg a r i nl t d 公司的产品， 并取得了专利权。 谚命参 图l l 换热管管内插入物 f i g l 一1s c h e m a t i c o f i n s e r t si nh e a t t r a n s f e rt u b e s 以上各种强化传热的手段中，现实而又最为有效的办法是采用各种类型的强 化传热表面，强化管内或管外流体的湍流，进而提高过程的总传热系数，即实现 高效蒸发。 1 2 2 制浆黑液蒸发器的研发及应用现状“” 黑液蒸发器作为制浆黑液处理的关键设备之一，其研发和应用受到造纸界的 普遍关注。世界各国政府都对黑液蒸发器的研发和应用给予了大力的支持。例如： 我们现在进行的“卧式喷淋降膜蒸发系统浓缩草浆黑液装置”的研发就受到了中 国林业科学研究院、江苏省科委、国家科技部等单位的高度重视，他们在小试、 试验、产业化生产的各个阶段绘予了资金的的支持。 从世界范围来看，制浆造纸原料中木材比率为9 3 ，主要采用碱回收方法治理 黑液。过去的十年，降膜蒸发器统治了市场，再看前十年，升膜或u v ( 垂直式长 管) 的蒸发器型式是最普遍的。几年前蒸发器最终产品的固体量以约6 4 ( 木浆) 左右作为设计目标，今天以7 5 或更高一些固形物含量，在回收炉中燃烧会很大程 度地减少二氧化硫和总还原硫( t q s ) 的散失，并增加热效率。但是氮氧化物( n o 。) 和粉尘损失略大一些。 我国黑液蒸发器的研发及应用情况：自七十年代以来，在全国年产万吨以上 规模的1 1 0 0 多家草浆企业中，上碱回收工程的已有数十家，至今仅有1 2 家维持 运转。浓缩黑液装置主要采用升降膜列管式蒸发器或板式和歹l j 管式混合使用蒸发 装置。运行结果是碱回收能力差，回收效率低( 在6 0 左右) ，加上运转不正常， 技术经济过不了关，设备因而停止运行的较多。造成这一结果的其中一个重要原 因是由于存在极易起泡和结垢堵塞等诸多问题，致使蒸发强度过低( 一般平均为 2 5k g m 2 h ) 和蒸发操作不正常。 板式蒸发器的研发和在黑液蒸发浓缩上的应用是当今国际上的一项先进技术 ”，但它是针对木浆黑液而研制的。1 9 8 9 年我国对此项先进技术设备进行消化吸 收，现已经在造纸厂应用，但从运行情况来看，结果都不太理想。例如山东华泰 纸业股份有限公司，山东银河纸业公司，板式蒸发器运行不到三年就需更换，这 是因为该装置对草浆废液蒸发存在三个致命弱点：一是结垢周期短。结垢后，垢 层存在高达十几米极窄缝隙的板面上，难以清洗。日久后，结垢愈加严重，大大 降低传热效率，最终致使蒸发强度大幅下降。二是板式蒸发器具有不可修复性的 特点，一旦出现泄露将无法修理，只能更换。另一个弱点是造价高。平均1 4 0 0 元 m 2 ，此单价比列管式高4 0 以上。另外高达十几米蒸发板，送液泵扬程要求更高， 泵送的电耗因而大为增加。 目前市场上黑液蒸发器的供应除了板式蒸发器外，其他厂商都用管子构成热 传导面积，都使用降膜技术( f f ) ，有的公司提供一种f f 和r f ( 升膜) 的混合设 计，后几效用于低固形物浓度，有的公司供应具有强制循环( f c ) 结晶器( 增浓 器) ，而其余的蒸发器是降膜式( f f ) 的。 蒸发器的型式，在六、七十年代，最普遍的蒸发器型式是自然循环r f 或l t v ， 它能够产生的最高固体浓度约为5 5 ，到八十年代产品固形物浓度上升到7 0 ，l t v 蒸发器或p f r 增浓器受到冷遇，它们逐渐被完整的f f 系列或f c 结晶器和f f 所代 替。 1 9 8 8 年国外某公司开发成功专用于木浆黑液浓缩的“水平管式喷淋薄膜蒸发 器”，其性能远优于目前我国造纸工业用的包括板式蒸发器在内各类蒸发器。九十 年代，广州造纸厂、吉林图们造纸厂等先后从美国引进了这种蒸发器，经过十余 年运行情况来看，其主要优点是传热系数高、温度损失低、溶液分布均匀，便于 除垢和维修，是目前世界上用于黑液蒸发浓缩的较为先进的蒸发器，但它目前也 只是用在木浆黑液的蒸发浓缩。在草浆蒸发方面未见应用报道。在国内外，对草 浆厂黑液浓缩至今尚无一套成熟的技术设备。 1 2 3 卧式喷淋薄膜蒸发器的研发现状 卧式喷淋降膜蒸发器是美国a q u a c h e m 公司首先开发研制的，迄今也不过三 十多年，现在，它己在海水淡化、海洋温差发电、制冷工程、化学工程、造纸黑 液浓缩等方面得到应用，目前各国仍在继续研究中，以探讨其机理并扩大其应用 范围。这种蒸发器最重要的特点是在结垢条件下仍具有可靠的操作能力，早先开 发时就是应用于结垢严重的溶液蒸发的。由于这种蒸发器在很多方面优于于 膜式 和降膜式蒸发器，因而近年来对该种型式蒸发器的研究报道日益增多，但国内真 正用于实际生产的研究成果尚未见报道。 卧式喷淋降膜蒸发器主要性能优点是传热系数高、温度损失低、溶液分布均 匀。据文献报道m 3 ，它比传统的浸没式蒸发器的传热系数高3 5 倍，比垂直管降 膜蒸发器高1 倍左右。这些优点可以使蒸发器在较低的温差下操作，从而可以利 用低品位热源，有利于多效蒸发和热泵操作，而节省能量。 f 并附与忭 i 二i 女蘸g 面1 _ * a 睾 m 口 图卜2 卧式喷淋薄膜蒸发器结构简图 f i g l - 2s c h e m a t i c o f h o r i z o n t a ls p r a y i n g - - f i l me v a p o r a t o r 卧式喷淋薄膜蒸发器主要结构特点。“：1 具有所有降膜蒸发器的优点；2 黑 液喷嘴孔大，不易堵塞，喷液量大，喷淋均匀，喷淋于管外表面，保证所有管表 面湿润，较高的喷液量减缓了结垢和阻止了垢的增长，在清洗中，喷淋作用有利 于清洗去除垢层；3 结构独特，便于维修，换热管矩形排列，管内外清洗方便， 既可以用高压水枪或机械清洗，也可以用化学试剂清洗；4 采用空间蒸发，减少 了雾沫夹带和管侧结垢。如图1 2 。 由于卧式喷淋薄膜蒸发器在性能和结构上的优势，它己被许多国家的厂商所 认同，就连造纸设备比较先进的芬兰也开始引进该蒸发器。我国是九十年代首次 引进该蒸发器，到目前为止已有四家造纸厂引进了该设备，从运行情况来看都非 常成功。 我所于1 9 9 6 年开始对从美国a q u a c h e m 公司引进的水平管式喷淋蒸发设备及 技术进行消化吸收工作o ”，立题研究。 1 3 本课题主要研究内容 1 3 1 基础实验研究及卧式喷淋薄膜蒸发系统的研制 基础实验主要是针对草浆废液的特点，分别利用水、草浆黑液作为工质，研 究影响卧式喷淋薄膜蒸发系统的因素及规律，这些因素包括管子材料、直径大小、 管束中管子的排列方式及间距、操作压力、喷淋量和热流密度，为卧式喷淋薄膜 蒸发系统的研制提供必要的参数。 1 3 2 蒸发过程中传热效率的研究 1 以层流流动模型为基础，考虑到液膜流动的具体情况，建立管束换热的组合模 型。 2 用数值计算方法对卧式喷淋薄膜蒸发器的换热管外垂下液膜的强制对流显热 传热机理进行研究。 j 柙一羊 u 1 、? 坩t 1 奇状黑以一纠l n k h 牛水赤他日_ 戈赴w i l 第二章卧式喷淋薄膜蒸发系统浓缩草浆黑液的基础实验研究 基础实验主要是针对草浆废液的特点，分别利用水、草浆黑液作为工质，研 究影响卧式喷淋薄膜蒸发系统的因素及规律，这些因素包括管子材料、直径大小、 管束中管子韵排列方式及间距、操作压力、喷淋量和热流密度，为卧式喷淋薄膜 蒸发系统的研制提供必要的参数。 针对草浆废液蒸发浓缩选择适宜的消泡剂。 2 1 问题的提出 进入九十年代，随着我国经济发展的不断强大和综合国力的不断提高，保护 环境，走可持续发展之路开始被我国政府所重视，同时国家对环保的投入也在逐 年增加。而我国造纸黑液的污染又是江河等流域的主要污染源。针对造纸行业的 严重污染，国务院以国发 9 6 3 l 号文颁发了关于加强环境保护若干问题的决定， 明确规定至1 9 9 6 年9 月3 1 日前取缔年产5 0 0 0 吨以下的小造纸厂，至2 0 0 0 年全 国所有工业企业达标排放目标。因此，国内各造纸厂，特别是大型造纸厂，开始 世界范围寻求先进的黑液处理技术方案。而目前，国外对于木材制浆废水处理已 有较成熟的方法，而对革浆废水处理还没有好的方法，1 9 8 6 年在杭州召开的“非 木材纤维制浆及造纸环境影响国际研讨会”曾专题讨论了这个问题，许多发展中 国家大多数是以草类制浆造纸，废水中会有大量有机物及悬浮体，严重污染农田， 至今尚无有效的治理方法。1 9 9 9 年国家环保总局特地就草浆黑液的治理发下2 7 3 号文，并附草浆造纸工业废水污染防治技术说明，说明中提到五种草浆黑液治 理方案，其中有三种用到蒸发，说明中也提到了草浆黑液蒸发的困难性，最好的 平均蒸发强度为9 5 k g m 2 h 。因此，运行费用相应很高，影响了造纸厂黑液处理 的积极性。 针对以上情况，我所于1 9 9 6 年开始结合木材制浆废水处理已有的较成熟的方 法和消化吸收从美国a q u a - c h e m 公司引进的水平管式喷淋薄膜蒸发设备及技术， 研制适合草浆黑液的卧式喷淋薄膜蒸发系统。 2 2 实验系统及装置 8 一、l i ”“m 、，m 十m 女f l x a 0 * w 1 九 9 小试蒸发器和实验系统几经改进最终确定为如图2 1 所示。 m g t “ 镕 碴女 j 翥 幕 母k咀 * ! 口 一 “ -# * i - 、j 寝_ * 圈一 0 丑 ! 蟛 t 眯j 盖 * d m * 一早叫儿朴料朕怂m 玑似舢早救女散h _ 头越计九 本实验装置具有如下功能： 1 进行水平管束池沸腾传热性能实验； 2 进行卧式喷淋薄膜蒸发系统浓缩草浆黑液实验； 3 适用于草浆黑液的消泡剂的研究和应用 4 可定期除垢。 2 2 i 实验系统说明： 实验工质从贮槽2 经循环泵1 、流量计3 进入蒸发器5 ，物料经过分布器8 形 成较规则的物流后，在换热管表面形成一层均匀的液膜。液膜从上至下流经各层 换热管，吸收了热量而逐渐汽化。未汽化的物料由循环泵1 不断进行循环操作。 汽化产生的蒸汽在冷凝器1 0 中被冷凝，冷凝液经过计量槽1 l 收集到贮槽1 2 。全 过程均在真空状态下操作，真空系统由真空泵1 3 来实现。 2 3 实验材料和方法 2 3 1 工质 1 草浆废液：2 水。 2 3 2 实验设备( 见表2 1 ) 表2 一l ：实验设备清单 t a b l e 2 1l i s to ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 序号设备名称规格参数材料数量备注 1循环泵 2 5 m 3 hq 2 3 5 a1 2 贮槽 0 1 9 m 3q 2 3 5 a1 3转子流量计4 0 l l m i f lq 2 3 5 a1 4蒸发器 0 0 7 9 9 m 2 ，3 k wq 2 3 5 a 1 电加热 5调温器0 3 8 0 vq 2 3 5 a4 6消泡剂罐o 0 1q 2 3 5 a1 7冷凝器0 0 3 8 m 2q 2 3 5 a3 8冷凝液计量槽0 0 5 m 3q 2 3 5 al 9冷凝液贮槽0 i m 3q 2 3 5 al l o真空泵 4 l s ，0 5 5 k wq 2 3 5 a12 x 一4 a l o m 一早叶“州、懈肤* m o c m 湘早永 似日j 头掘砌r 九 2 4 实验方法及数据处理 为了使实验简捷且能获得较为精确的数据，实验加热管接有调压器，热流量 模仿管中通蒸汽的加热条件，加热总功率由供电电压和电流直接相乘获得： q = i v ( 2 1 ) u j 一 图2 3 热电偶布置圈 f i 9 2 3s c h e m a t i co f d i s p o s a la b o u tt h e r m o c o u p l e o nt h eh e a t - t r a n s f e rt u b e s 电压v 由电压表测量，电流i 由互感器引入电流表直接读出。考虑到作为导 线的铜丝及实验本身的散热损失，故引入实验热效率n ，实验有效加热功率为： o = 叩q = 彬y ( 2 2 ) 经标定，实验热效率玎= 9 5 9 7 。 实验之所以选用电加热管是因为它能提供比蒸汽加热更为稳定、连贯的参数。 因为稳定的蒸汽膜状冷凝不可能在整个管子内表面存在，蒸汽冷凝是以任意方式 进行，即不完全成膜状也不完全是自然的液滴，还发现每天蒸汽的化学成分及管 表面的细微变化都会改变蒸汽的冷凝过程。“，因此，用蒸汽加热不可能获得一个 精确的热流量，但是用电加热可以根据精确的电能测量值获得精确的热流量值。 购买的换热管表面精度达到0 4 o 8 u m 。正式实验前，首先预热工质，当其 温度接近该压力下的饱和温度后开始实验，每种工质其热流密度由低逐渐升高， 分别测得三组数据( 电压1 7 0 v 、2 0 0 v 、2 2 0 v 条件下) ，蒸发器内压力和温度不再 变化时开始记录。实验工质分别选用了水( a ) 、麦草s f p a q 法制浆废液( b ) 和 麦草烧碱法制浆废液( c ) 。每个稳定工况都连续记录六次数据。 在消泡剂种类中选择四种进行试验，当蒸发器蒸汽出口有泡沫出现时，立即 1 2 印一早 正l ? 弛r 小j 守捷娥卫a i 二j l t 谯日1 t l 求斋 嵌刚：失粗叫t 九 加入消泡剂。记录每种消泡剂的用量和效果。 每次蒸发一个周期后都要对换热管仔细检查，观察结垢情况，换热管表面垢层 约l m m 厚时，就立即开始除垢，记录每次除垢间隔的时间。 关于实验数据的处理，先将每个工况对应的六组数据进行算术平均，外壁有 热电偶直接测得，液体饱和温度由温度计直接读出，则壁面过热度可由下式表示： a t = 巧一瓦 ( 2 3 ) 在研究测量管的局部换热特性时，t 。为各测点的局部外壁温( 上、下、左、右) ； 在研究整个管子的平均换热特性时，t ，为各测点的平均值。 如果忽略由于管束中各排管子壁温不同所造成的电阻率差异，可认为热流密 度在整个管束中是均匀分布的，受i j 管束的平均热流密度： q n - dol o ( 2 4 ) e 一管束的平均热流密度( k w m 2 ) ，q 一总热负荷( k w ) ，n 为管柬中加热管子数目，d 0 一 加热管子直径，l o - 加热管子的长度。 换热系数h 的计算式为： ee = = a t 砀一l 2 七一换热系数( k w m 2 k ) ，a t 传热温差( k ) ，e 一管束的平均热流密度( k w m 2 ) 操作参数如下： 真空度：0 0 3 0 0 7 m p a ( 绝压) 热流密度：q = 0 5 0 k w m 2 物料流量：g = o 9 6 5 k g m 2 s 2 5 实验结果及其分析 2 5 1 工质的影响 许多文献报道过。“”“”，不同的制浆原料和不同的制浆方法对废液的化学组 身7 一早 ij ? 儿r 什1 奇n 托绯，x 匀 习l n k a h l p 水熹似1 1 3 ：六挝训j ，u 成影响极大。麦草废液中$ i 0 ：的含量为红松黑液的1 6 6 倍，其粘度为红松的1 7 倍。采用麦草亚硫酸钠一甲醛一葸醌( s f p a q ) 法比采用烧碱法制浆废液的含硅量 少，粘度也降低。s f p a q 法废液的p h 值在7 8 ( 呈中性) ，麦草中大量的s i o ：在 中性蒸煮条件下不易溶解，大量的硅仍然留在纸浆中，废液的含硅量只有0 1 5 9 l ， 除硅率达到9 6 。在“七五”科技攻关项目“碱法草浆黑液除硅生产试验”中， 测定除硅后废液中s i o ：含量从3 3 0 9 l 下降到o 3 7 9 l ，或从4 0 6 9 l 下降到 0 3 8 9 l ，基本达到或接近某些木浆黑液的含硅量1 ，硅的去除率达9 0 左右。碱 式亚钠法制浆废液的除硅率也达到8 0 。烧碱法制浆废液p h 值在1 l 以上，s j o ， 在碱性条件下溶解性能较好，因而烧碱法制浆废液中的硅含量高，造成黑液粘度 大，易结垢。 鉴于上述状况，选用比较典型的水( a ) 、麦革s f p a q 法制浆废液( b ) 和麦 草烧碱法制浆废液( c ) 作工质进行试验。试验结果表明，在相同的喷淋量、温度 差和操作周期的条件下，从产生结垢多到少的排列顺序为：c b a ，与许多文献 报